主體結(jié)構(gòu)荷載可控的新型組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)(Ⅱ)：影響因素及設(shè)計(jì)理念

摘要： 為明確泡沫混凝土厚度和強(qiáng)度對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響，充分發(fā)揮和合理利用泡沫混凝土良好的消波特性，首先通過試驗(yàn)及數(shù)值模擬探討不同泡沫混凝土厚度和強(qiáng)度對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響，并分析分層梯度泡沫混凝土在爆炸波作用下的消波特性。然后將組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)與采用中粗砂為分配層的傳統(tǒng)成層式結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析驗(yàn)證其優(yōu)越性，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)凝練出組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)荷載可控的設(shè)計(jì)理念。結(jié)果表明，利用泡沫混凝土材料較長的屈服平臺和較低的波阻抗，以泡沫混凝土作為能量調(diào)控層，通過設(shè)計(jì)泡沫混凝土強(qiáng)度等級（密度等級）和厚度以及采用多層梯度泡沫混凝土，可使得作用于主體結(jié)構(gòu)上的爆炸荷載峰值恰為泡沫混凝土屈服強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對主體結(jié)構(gòu)上荷載的可控設(shè)計(jì)，有效解決了中粗砂為分配層的傳統(tǒng)成層式結(jié)構(gòu)不易控制作用于主體結(jié)構(gòu)上荷載的問題。研究結(jié)果可為抗新型鉆地彈的防護(hù)設(shè)計(jì)提供重要參考。

關(guān)鍵詞： 泡沫混凝土；組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)；可控設(shè)計(jì)；爆炸波；消波

中圖分類號： O389 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗爆性能與泡沫混凝土層密切相關(guān)，泡沫混凝土層與高強(qiáng)混凝土遮彈層形成強(qiáng)波阻抗失配關(guān)系，通過“調(diào)控”爆炸能量的分配，使得爆炸能量大部分耗散在遮彈層中，大幅減少經(jīng)泡沫混凝土層到達(dá)主體結(jié)構(gòu)上的荷載和能量[1]。根據(jù)文獻(xiàn)[1] 中爆炸波在組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)中的傳播衰減規(guī)律（圖1），由遮彈層透射進(jìn)入泡沫混凝土層的爆炸波僅使得端部0～0.08 m范圍內(nèi)的泡沫混凝土產(chǎn)生塑性變形，其余范圍均處于彈性狀態(tài)，泡沫混凝土的消波特性未得到充分發(fā)揮。泡沫混凝土具有較長的屈服平臺，密實(shí)應(yīng)變遠(yuǎn)大于屈服應(yīng)變，當(dāng)泡沫混凝土的應(yīng)變峰值未達(dá)到密實(shí)應(yīng)變時(shí)，泡沫混凝土中爆炸荷載峰值不超過平臺應(yīng)力（即屈服應(yīng)力）。為充分發(fā)揮泡沫混凝土自身良好的消波特性，有必要探討泡沫混凝土層厚度對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響，從而為合理確定泡沫混凝土層厚度提供依據(jù)。

另外值得關(guān)注的一點(diǎn)是泡沫混凝土強(qiáng)度的影響，注意到新型組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)不僅適用于地下坑道等小跨度結(jié)構(gòu)，亦適用于飛機(jī)洞庫、地下指揮所等大跨度結(jié)構(gòu)[2]。對于小跨度結(jié)構(gòu)，在爆炸波作用下通常按照局部破壞作用設(shè)計(jì)，并以主體結(jié)構(gòu)層內(nèi)表面不發(fā)生震塌為原則確定厚度[3]。對于地下淺埋的大跨度結(jié)構(gòu)，往往要求其能夠同時(shí)抵抗爆炸應(yīng)力波的局部破壞作用和整體破壞作用，整體破壞與結(jié)構(gòu)的跨度、截面尺寸、材料性能等特征均有關(guān)[4]。一定厚度的泡沫混凝土層可使得作用于主體結(jié)構(gòu)層的爆炸荷載峰值不超過泡沫混凝土材料的屈服應(yīng)力[1]。對于組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)而言，同等條件下小跨度結(jié)構(gòu)抗力通常高于大跨度結(jié)構(gòu)，此時(shí)可選取強(qiáng)度標(biāo)號相對較高（屈服應(yīng)力較大）的泡沫混凝土，而對于大跨度結(jié)構(gòu)，可選取強(qiáng)度標(biāo)號較低的泡沫混凝土從而避免主體結(jié)構(gòu)層發(fā)生整體破壞。

已有研究[5-7] 表明，與均勻密度材料相比，梯度多孔材料（如泡沫金屬、泡沫聚合物和泡沫陶瓷等）在沖擊爆炸荷載下具有更好的力學(xué)性能。Gardner 等[8] 和Wang 等[9] 通過試驗(yàn)研究了梯度泡沫金屬夾芯梁的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)由于層間不連續(xù)性的削弱作用，隨著芯層層數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能逐漸增加。Gupta[10] 針對分層梯度泡沫材料的壓縮性能開展了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在一定的壓縮范圍內(nèi)，用多層不同密度泡沫鋁代替單層結(jié)構(gòu)可以顯著地提高能量吸收性能。Zeng 等[11] 通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究了層狀梯度空心金屬球的沖擊響應(yīng)，研究表明，合理的密度分布可有效地增強(qiáng)能量吸收能力，并顯著降低透射波的強(qiáng)度?？梢钥闯?，沖擊和爆炸等強(qiáng)動(dòng)載作用下，已有研究相對較多關(guān)注分層梯度延性泡沫金屬材料（如泡沫鋁）的能量吸收性能，對分層梯度脆性泡沫混凝土材料的消波特性關(guān)注相對較少，而泡沫混凝土的力學(xué)性能與延性泡沫金屬材料存在明顯區(qū)別。

郝逸飛等[12] 研發(fā)的粉煤灰-礦渣基堿激發(fā)泡沫混凝土，以固廢基微粉、堿激發(fā)劑、水和發(fā)泡劑為原料，生產(chǎn)過程不使用水泥，所需原材料種類少，制備工藝簡單，充分考慮泡沫在混合漿體中的受力，有效抑制氣泡合并上浮趨勢，在提高材料的強(qiáng)度的同時(shí)可明顯減少塌模和干縮等現(xiàn)象。堿激發(fā)泡沫混凝土密度等級在200～1 200 kg/m3之間，強(qiáng)度等級在0.5～40.0 MPa 之間，密度與強(qiáng)度之間呈一一對應(yīng)的關(guān)系，現(xiàn)場通過調(diào)試發(fā)泡速率與泵送速率，可控制堿激發(fā)泡沫混凝土的密度等級，從而控制堿激發(fā)泡沫混凝土的強(qiáng)度等級。利用堿激發(fā)泡沫混凝土施工方便且性能可控的特點(diǎn)，可為研究泡沫混凝土厚度、強(qiáng)度以及分層梯度泡沫混凝土對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響提供條件。

基于此，本文中通過試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究泡沫混凝土層厚度和強(qiáng)度等因素對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響，并分析分層梯度泡沫混凝土在爆炸波作用下的消波特性；在此基礎(chǔ)上，將組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)與采用中粗砂為分配層的傳統(tǒng)成層式結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，分析驗(yàn)證其優(yōu)越性；最后提煉總結(jié)組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)荷載可控的設(shè)計(jì)理念。

1 泡沫混凝土層厚度的影響

文獻(xiàn)[1] 中，當(dāng)C5 泡沫混凝土層厚度為0.5 m時(shí)，作用在主體結(jié)構(gòu)層的爆炸荷載峰值為4.73 MPa，而泡沫混凝土層遠(yuǎn)端（0.49 m 處）應(yīng)變峰值尚未達(dá)到屈服應(yīng)變0.025[1]，泡沫混凝土的消波特性尚未得到充分發(fā)揮。因此，有必要探討泡沫混凝土層厚度對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響。為分析不同厚度泡沫混凝土層的消波耗能特性，特設(shè)置0.5、0.3 和0.2 m 等3 種不同厚度的C5 泡沫混凝土層進(jìn)行數(shù)值模擬。需要強(qiáng)調(diào)的是，除改變C5 泡沫混凝土層厚度（從0.5 m 分別改為0.3 和0.2 m）以外，數(shù)值模型幾何尺寸、邊界條件和材料模型等與文獻(xiàn)[1] 中的組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)制孔裝藥爆炸數(shù)值模型完全相同，如圖2 所示，從上到下各層依次編號為1～3，層1 和層2 界面、層2 和層3 界面依次編號為A 和B。

圖3（a） 給出了厚0.3 m 的泡沫混凝土層沿中心軸線方向的應(yīng)力和應(yīng)變峰值分布?？梢钥闯鲈?.15～0.30 m 范圍內(nèi)應(yīng)力峰值和應(yīng)變峰值出現(xiàn)反射增強(qiáng)現(xiàn)象，其中在0.22～0.30 m 范圍內(nèi)，應(yīng)力峰值與C5 泡沫混凝土的屈服應(yīng)力相當(dāng)；注意到泡沫混凝土層遠(yuǎn)端（0.29 m 處）應(yīng)變峰值為0.039，遠(yuǎn)低于C5 泡沫混凝土的密實(shí)應(yīng)變0.236[1]，即仍可以降低泡沫混凝土層厚度使得作用于主體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力峰值不增加。圖3（b） 給出了厚0.2 m 泡沫混凝土層沿中心軸線方向的應(yīng)力和應(yīng)變峰值分布。此時(shí)各處泡沫混凝土均處于屈服狀態(tài)（應(yīng)變峰值大于屈服應(yīng)變0.025），應(yīng)力峰值均與屈服應(yīng)力5 MPa 相當(dāng)；在0.07～0.20 m 范圍內(nèi)泡沫混凝土出現(xiàn)反射增強(qiáng)現(xiàn)象，泡沫混凝土層遠(yuǎn)端（0.19 m 處）的應(yīng)變峰值為0.05，仍低于C5 泡沫混凝土的密實(shí)應(yīng)變。

圖4 給出了3 種不同泡沫混凝土層厚度（0.5、0.3 和0.2 m）時(shí)主體結(jié)構(gòu)層上表面中心位置（圖2中測點(diǎn)B-3-1）的應(yīng)力時(shí)程曲線，可以看出，0.2 和0.3 m 厚對應(yīng)的應(yīng)力峰值與泡沫混凝土屈服應(yīng)力相當(dāng)，而0.5 m 厚時(shí)略小于屈服應(yīng)力。若繼續(xù)減小泡沫混凝土層厚度，由于反射增強(qiáng)現(xiàn)象可能會使得下端泡沫混凝土進(jìn)入密實(shí)階段，從而使得作用于主體結(jié)構(gòu)上的荷載出現(xiàn)荷載增強(qiáng)效應(yīng)，即經(jīng)過泡沫混凝土層傳遞至主體結(jié)構(gòu)層的荷載超過初始荷載，該現(xiàn)象已在一維波在泡沫混凝土中的傳播試驗(yàn)中得到證實(shí)[13]。也即泡沫混凝土層存在一個(gè)臨界厚度，使得作用于主體結(jié)構(gòu)層的爆炸荷載峰值不超過泡沫混凝土材料的屈服應(yīng)力，該臨界厚度已在文獻(xiàn)[14] 中進(jìn)行細(xì)致討論分析并給出了臨界厚度計(jì)算方法。

2 泡沫混凝土強(qiáng)度的影響

由前文分析可知，一定厚度的泡沫混凝土可使得作用于主體結(jié)構(gòu)層的爆炸荷載峰值不超過泡沫混凝土材料的屈服應(yīng)力。通常而言，不同跨度的防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆炸荷載能力不同，同等條件下小跨度結(jié)構(gòu)抗力通常高于大跨度結(jié)構(gòu)，根據(jù)跨度大小選取與之相匹配的泡沫混凝土強(qiáng)度等級，可在確保組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好抗爆性能的同時(shí)優(yōu)化組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)的整體厚度。

關(guān)于泡沫混凝土強(qiáng)度對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響。首先根據(jù)JG/T 266—2011《泡沫混凝土規(guī)范》[15]，制備工程中常用的C1、C3、C5 和C10 等4 種強(qiáng)度等級的泡沫混凝土（配合比見表1）開展組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)制孔裝藥爆炸試驗(yàn)（試驗(yàn)基本情況見文獻(xiàn)[1]），然后利用數(shù)值模擬詳細(xì)研究泡沫混凝土強(qiáng)度對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響規(guī)律。

2.1 爆炸試驗(yàn)

為探討泡沫混凝土強(qiáng)度對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響規(guī)律，除文獻(xiàn)[1] 中采用厚0.5 m 的C5 泡沫混凝土層外，分別采用厚0.5 m 的C1、C3 和C10 泡沫混凝土層開展組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)制孔裝藥爆炸試驗(yàn)。試驗(yàn)基本情況與文獻(xiàn)[1] 相同，僅改變泡沫混凝土強(qiáng)度，在此不贅述。

圖5 給出了爆炸試驗(yàn)后不同靶體的損傷破壞情況，可以看出，對于遮彈層的損傷破壞，除C3 泡沫混凝土靶體（以下簡稱C3 靶體，見圖5（b））外，C1、C5 和C10 靶體遮彈層的損傷破壞均可分為4 個(gè)區(qū)域，即頂部成坑區(qū)、裝藥附近破碎區(qū)、底部震塌區(qū)和側(cè)面徑向裂縫區(qū)。對于C3 靶體，其遮彈層的損傷破壞程度明顯偏小，結(jié)合試驗(yàn)中高速攝像采集的炸藥爆轟圖像可以判定，其主要由TNT 藥柱鑄藥質(zhì)量較差導(dǎo)致TNT 有效當(dāng)量不足引起。

爆炸試驗(yàn)后4 種強(qiáng)度的泡沫混凝土層中均出現(xiàn)少量豎向裂紋；泡沫混凝土層厚度較試驗(yàn)前（0.5 m）均有所降低，試驗(yàn)后經(jīng)測量C1、C3、C5 和C10 泡沫混凝土層沿中心軸線方向的厚度分別為0.423、0.483、0.446 和0.465 m，即在爆炸波作用下泡沫混凝土層出現(xiàn)塑性變形，且同等厚度下泡沫混凝土強(qiáng)度等級越低，塑性變形越大（C3 靶體除外）；4 種類型靶體的主體結(jié)構(gòu)層均完好無損，由此說明，具有一定厚度的強(qiáng)度等級為C1、C3、C5 和C10 的泡沫混凝土層均能有效削弱爆炸波，避免主體結(jié)構(gòu)層發(fā)生損傷破壞。

為得到爆炸波在組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)中的傳播衰減規(guī)律，在4 種靶體的主體結(jié)構(gòu)層上表面中心位置均預(yù)埋PVDF 應(yīng)力傳感器。圖6 給出了實(shí)測的C3 和C5 靶體對應(yīng)測點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程曲線，可以看出應(yīng)力峰值分別為2.6 和2.1 MPa。由此說明，一定厚度的不同強(qiáng)度泡沫混凝土層能夠有效衰減彈藥爆炸產(chǎn)生的爆炸荷載，且作用于主體結(jié)構(gòu)上的爆炸荷載峰值不超過對應(yīng)強(qiáng)度泡沫混凝土的屈服平臺。

2.2 數(shù)值模擬

由第2.1 節(jié)中的試驗(yàn)結(jié)果可知，具有一定厚度的不同強(qiáng)度泡沫混凝土層均能夠有效衰減彈藥產(chǎn)生的爆炸荷載，避免主體結(jié)構(gòu)層發(fā)生損傷破壞。然而，僅利用有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，尚不能明確泡沫混凝土強(qiáng)度對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響規(guī)律，基于此，本節(jié)開展泡沫混凝土強(qiáng)度對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能影響的數(shù)值模擬研究。為研究強(qiáng)度等級為C1、C3、C5 和C10 的泡沫混凝土層對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響規(guī)律，建立了組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)制孔裝藥爆炸數(shù)值模型，模型與圖2 所示相同，僅改變泡沫混凝土層厚度（由0.5 m 改為0.3 m）和強(qiáng)度等級（C1、C3、C5 和C10）。

圖7 給出了數(shù)值模擬預(yù)測的不同靶體遮彈層損傷云圖，可以看出不同泡沫混凝土強(qiáng)度下遮彈層損傷破壞僅在底部震塌區(qū)存在差異，且泡沫混凝土強(qiáng)度越低，遮彈層底部震塌破壞區(qū)域越大，該現(xiàn)象與圖5中試驗(yàn)得到的遮彈層底部震塌區(qū)損傷破壞情況基本相符（C3 靶體除外）。這是由于泡沫混凝土層的存在使爆炸波在遮彈層和泡沫混凝土層的界面處反射拉伸波，進(jìn)而使爆炸能量向上部遮彈層轉(zhuǎn)移造成震塌破壞；且強(qiáng)度等級越低的泡沫混凝土與高強(qiáng)混凝土遮彈層的波阻抗失配程度越高，從而使更多的爆炸能量隨反射拉伸波轉(zhuǎn)移至遮彈層，從而造成遮彈層底部更大程度的震塌破壞。

圖8 給出了不同類型靶體主體結(jié)構(gòu)層上表面中心位置測點(diǎn)（圖2 中B-3-1 測點(diǎn)）的應(yīng)力時(shí)程曲線?？梢钥闯?，應(yīng)力峰值均不超過泡沫混凝土材料的屈服應(yīng)力，對于C1、C3 和C5 靶體，測點(diǎn)應(yīng)力峰值與其屈服應(yīng)力相當(dāng)，而C10 靶體測點(diǎn)的應(yīng)力峰值低于屈服應(yīng)力，為9.1 MPa。由此進(jìn)一步說明，一定厚度的不同強(qiáng)度泡沫混凝土層均能將作用在主體結(jié)構(gòu)上的荷載峰值衰減至不超過泡沫混凝土的屈服平臺，且可通過調(diào)整泡沫混凝土強(qiáng)度等級來實(shí)現(xiàn)對主體結(jié)構(gòu)上荷載的可控設(shè)計(jì)。

為探討爆炸波在不同強(qiáng)度泡沫混凝土中的傳播衰減規(guī)律，圖9 分別給出了厚0.3 m 的不同強(qiáng)度泡沫混凝土層沿中心軸線方向的應(yīng)力、應(yīng)變峰值分布情況。

由圖9（a） 可以看出，C1 泡沫混凝土內(nèi)各測點(diǎn)的應(yīng)變峰值均超過屈服應(yīng)變0.028，應(yīng)力峰值均為C1 泡沫混凝土的屈服應(yīng)力1 MPa[1]；在0.13～0.30 m 范圍內(nèi)，應(yīng)變峰值出現(xiàn)反射增強(qiáng)，泡沫混凝土遠(yuǎn)端（0.29 m 處）應(yīng)變峰值為0.060，遠(yuǎn)低于C1 泡沫混凝土的密實(shí)應(yīng)變0.552[1]。

由圖9（b） 可以看出，在0.09～0.21 m 范圍內(nèi)，泡沫混凝土的應(yīng)力峰值和應(yīng)變峰值均未達(dá)到C3 泡沫混凝土的屈服應(yīng)力3 MPa 和屈服應(yīng)變0.026[1]，即該范圍內(nèi)的泡沫混凝土處于彈性狀態(tài)；而在0.17～0.30 m 范圍內(nèi)，應(yīng)變峰值出現(xiàn)反射增強(qiáng)，泡沫混凝土的遠(yuǎn)端應(yīng)變峰值為0.044，遠(yuǎn)低于C3 泡沫混凝土的密實(shí)應(yīng)變0.373[1]。

由圖9（c） 可以看出，在0.09～0.23 m 范圍內(nèi)，泡沫混凝土的應(yīng)力峰值和應(yīng)變峰值均未達(dá)到C5 泡沫混凝土的屈服應(yīng)力5 MPa 和屈服應(yīng)變0.025[1]；而在0.17～0.30 m 范圍內(nèi)，應(yīng)變峰值出現(xiàn)反射增強(qiáng)，泡沫混凝土的遠(yuǎn)端應(yīng)變峰值為0.039，遠(yuǎn)低于C5 泡沫混凝土的密實(shí)應(yīng)變0.256[1]。

由圖9（d） 可以看出，在0.05～0.30 m 范圍內(nèi)，泡沫混凝土的應(yīng)力峰值和應(yīng)變峰值均未達(dá)到C10 泡沫混凝土的屈服應(yīng)力10 MPa 和屈服應(yīng)變0.033[1]；而在0.19～0.30 m 范圍內(nèi)，應(yīng)變峰值出現(xiàn)反射增強(qiáng)，泡沫混凝土遠(yuǎn)端應(yīng)變峰值為0.032，低于C10 泡沫混凝土的屈服應(yīng)變0.170[1]，此時(shí)應(yīng)力峰值為9.7 MPa。

由上述分析可知，相同厚度的泡沫混凝土層，泡沫混凝土強(qiáng)度越高，泡沫混凝土層塑性變形越小，這與2.1 節(jié)中的試驗(yàn)結(jié)果一致。泡沫混凝土強(qiáng)度越高，彈性區(qū)（承受爆炸荷載后未破壞且仍處于彈性階段的泡沫混凝土區(qū)域）的范圍越大，即相比于低強(qiáng)度泡沫混凝土，同等條件下高強(qiáng)度泡沫混凝土具有更大的應(yīng)變富余（較大范圍的泡沫混凝土未達(dá)到屈服應(yīng)變），基于第1 節(jié)分析結(jié)果，此時(shí)可進(jìn)一步降低泡沫混凝土層厚度。即在滿足作用于主體結(jié)構(gòu)上的荷載峰值不超過泡沫混凝土屈服應(yīng)力的前提下，利用高強(qiáng)度泡沫混凝土可降低泡沫混凝土層的厚度。

圖10 給出了不同類型靶體主體結(jié)構(gòu)層上表面沿徑向的應(yīng)力峰值分布?？梢钥闯?，主體結(jié)構(gòu)層上表面沿徑向的應(yīng)力峰值呈梯形分布，選用低強(qiáng)度等級的泡沫混凝土不僅能降低作用在主體結(jié)構(gòu)上的爆炸荷載幅值，還能使其分布更為均勻。

由圖9 可知，選用低強(qiáng)度等級的泡沫混凝土雖然能顯著降低作用在主體結(jié)構(gòu)上的荷載幅值，但荷載作用時(shí)間延長，僅依據(jù)荷載幅值尚不能準(zhǔn)確評估不同強(qiáng)度等級的泡沫混凝土層對主體結(jié)構(gòu)層的防護(hù)效果。主體結(jié)構(gòu)層的損傷破壞與爆炸能量在該層的分布密切相關(guān)[1]，圖11 給出了不同靶體的主體結(jié)構(gòu)層總能量對比，可以看出，選用低強(qiáng)度等級的泡沫混凝土能顯著降低透射進(jìn)入主體結(jié)構(gòu)層的爆炸能量，從而起到更好的防護(hù)效果。

對于組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)而言，同等條件下小跨度結(jié)構(gòu)抗力通常較大跨度結(jié)構(gòu)的高，基于上述分析，此時(shí)可選取強(qiáng)度等級相對較高的泡沫混凝土，從而適當(dāng)降低沫混凝土層的厚度；而對于大跨結(jié)構(gòu)，選取強(qiáng)度等級低的泡沫混凝土，可使作用于主體結(jié)構(gòu)層上的荷載更小且更均勻，從而避免其發(fā)生局部和整體破壞。

3 分層梯度泡沫混凝土的抗爆性能

由第2 節(jié)分析可知，選取低強(qiáng)度等級的泡沫混凝土雖能夠使作用于主體結(jié)構(gòu)層的爆炸荷載幅值更小且分布更為均勻，但同時(shí)會使遮彈層底部發(fā)生更為嚴(yán)重的震塌破壞，強(qiáng)度等級過低的泡沫混凝土層在遮彈層震塌碎塊的沖擊作用下容易引起局部應(yīng)力集中，可能導(dǎo)致泡沫混凝土層發(fā)生破裂或貫穿，從而對主體結(jié)構(gòu)層造成不利影響[3]。

從可靠防護(hù)主體結(jié)構(gòu)層的角度，若存在一種分層梯度泡沫混凝土，其上層泡沫混凝土具有較高強(qiáng)度等級，從而使其在降低遮彈層底部震塌破壞程度的同時(shí)能有效抵抗震塌碎塊的沖擊作用，其余層泡沫混凝土具有較低強(qiáng)度等級，從而使其能夠降低作用在主體結(jié)構(gòu)上的荷載幅值且分布更為均勻，這對防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)十分有意義?；诖?，本節(jié)首先開展分層梯度泡沫混凝土的組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)制孔裝藥爆炸試驗(yàn)，然后利用數(shù)值模擬分析分層梯度泡沫混凝土對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響。

3.1 爆炸試驗(yàn)

分層梯度泡沫混凝土組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)制孔裝藥爆炸試驗(yàn)基本情況同文獻(xiàn)[1] 所述，僅將厚0.5 m 的C5 泡沫混凝土層改為由C10、C5 和C3 泡沫混凝土組成的分層梯度泡沫混凝土層（0.20 m/0.15 m/0.15 m）。

圖5（e） 給出了試驗(yàn)后分層梯度泡沫混凝土的組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)靶體（簡稱C10/C5/C3 靶體）損傷破壞情況，可以看出，其遮彈層損傷破壞情況與圖5（d） 所示的C10 靶體遮彈層幾乎完全相同。試驗(yàn)后經(jīng)測量分層梯度泡沫混凝土層沿中心軸線方向的總厚度為0.455 m，塑性變形大于C10 靶體（厚度為0.465 m），而主體結(jié)構(gòu)層試驗(yàn)后仍完好無損，由此初步說明，具有一定厚度的分層梯度泡沫混凝土層能有效削弱爆炸波，避免主體結(jié)構(gòu)層發(fā)生損傷破壞。

3.2 數(shù)值模擬

為分析分層梯度泡沫混凝土對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)中爆炸波傳播衰減規(guī)律的影響，同時(shí)便于與單一強(qiáng)度泡沫混凝土進(jìn)行對比，特建立0.3 m 厚分層梯度泡沫混凝土組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)制孔裝藥爆炸數(shù)值模型，模型與圖2 所示相同，僅將C5 沫混凝土層改為由C10、C5 和C3 組成的分層梯度泡沫混凝土層（0.1 m/0.1 m/0.1 m）。

圖7（e） 給出了數(shù)值模擬預(yù)測的C10/C5/C3 靶體遮彈層損傷云圖，可以看出其損傷破壞情況與圖7（d） 所示單一C10 靶體幾乎完全相同，底部震塌區(qū)范圍明顯小于C5 和C3 靶體（圖7（b）～（c））。由此說明分層梯度泡沫混凝土上部較高強(qiáng)度等級泡沫混凝土層（C10 層）的存在能有效降低遮彈層底部震塌破壞程度。將圖10 給出的C10/C5/C3 靶體與單一強(qiáng)度泡沫混凝土靶體主體結(jié)構(gòu)層上表面沿徑向的應(yīng)力峰值分布進(jìn)行對比，可以看出C10/C5/C3 靶體主體結(jié)構(gòu)層上表面應(yīng)力峰值及其分布與單一C3 靶體幾乎相同。由此說明下部較低強(qiáng)度等級泡沫混凝土層（C3 層）的存在使主體結(jié)構(gòu)層上的爆炸荷載幅值更小且分布更為均勻。

圖11 進(jìn)一步給出了C10/C5/C3 靶體與單一泡沫混凝土強(qiáng)度靶體主體結(jié)構(gòu)層總能量對比，可以看出C10/C5/C3 靶體主體結(jié)構(gòu)層總能量與單一C3 靶體比較接近，遠(yuǎn)低于單一C10 和C5 靶體。圖12 給出了分層梯度泡沫混凝土層與單一強(qiáng)度混凝土層中的總能量對比，可以看出分層梯度泡沫混凝土層中的總能量明顯高于單一C10、C5 和C3 泡沫混凝土層。由此說明分層梯度泡沫混凝土能充分發(fā)揮泡沫混凝土良好的消波特性，使更多的爆炸能量耗散在分層梯度泡沫混凝土層中。

為分析爆炸波在分層梯度泡沫混凝土各層中的傳播衰減規(guī)律，圖13 分別給出了分層梯度泡沫混凝土層沿中心軸線方向的應(yīng)力、應(yīng)變峰值分布?？梢钥闯?，分層梯度泡沫混凝土中，頂部C10 層近端（0.01 m 處）的應(yīng)力峰值為C10 泡沫混凝土平臺應(yīng)力10 MPa，中間C5 層0.10～0.15 m 范圍內(nèi)應(yīng)力峰值為5 MPa，底部C3 泡沫混凝土層各點(diǎn)應(yīng)力峰值均為3 MPa，即分層梯度泡沫混凝土中應(yīng)力峰值沿中心軸線方向呈多級階梯形下降趨勢。C5 層和C3 層近端（ 0.11 m 和0.21 m 處）應(yīng)變峰值最大，遠(yuǎn)大于C5 和C3 泡沫混凝土的屈服應(yīng)變； C10 層和C5 層遠(yuǎn)端（ 0.09 m 和0.19 m 處）應(yīng)變峰值最小，小于C10 和C5 泡沫混凝土的屈服應(yīng)變；即分層梯度泡沫混凝土內(nèi)部各層界面處在爆炸波作用下應(yīng)變峰值發(fā)生顯著變化。

由上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，相較于單一低強(qiáng)度泡沫混凝土層，分層梯度泡沫混凝土可在不顯著增加主體結(jié)構(gòu)層總能量的情況下降低遮彈層底部震塌破壞程度，且使主體結(jié)構(gòu)層上的爆炸荷載幅值及分布與單一低強(qiáng)度泡沫混凝土層基本相同；相較于單一高強(qiáng)度泡沫混凝土層，分層梯度泡沫混凝土可在不提高遮彈層底部震塌破壞程度的前提下顯著降低作用在主體結(jié)構(gòu)層上的爆炸荷載幅值，且使爆炸荷載在主體結(jié)構(gòu)層上的分布更為均勻，從而滿足組合式大跨度防護(hù)結(jié)構(gòu)的使用要求。

分層梯度泡沫混凝土組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)與單一強(qiáng)度泡沫混凝土相比具有良好抗爆性能的實(shí)質(zhì)在于，其多層梯度遞減的排列方式增加了泡沫混凝土軟夾層中的界面數(shù)量，并形成爆炸波從波阻抗較大介質(zhì)中向波阻抗較小介質(zhì)中的逐級傳播，波阻抗較大一側(cè)介質(zhì)在反射拉伸波的作用下發(fā)生剝離等破壞現(xiàn)象，波阻抗較小一側(cè)介質(zhì)在透射壓縮波的作用下產(chǎn)生較大塑性變形，使爆炸波在通過分層梯度泡沫混凝土界面時(shí)消耗較大比例的能量，顯著降低透射波的強(qiáng)度，從而充分發(fā)揮泡沫混凝土良好的消波特性。

綜上所述，多層梯度泡沫混凝土不僅能實(shí)現(xiàn)對主體結(jié)構(gòu)上荷載的可控設(shè)計(jì)，還可避免因遮彈層底部發(fā)生震塌破壞給下部泡沫混凝土層和主體結(jié)構(gòu)層帶來的不利影響。

4 與傳統(tǒng)成層式結(jié)構(gòu)的對比分析

為明確組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)相比采用中粗砂為分配層的傳統(tǒng)成層式結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，將0.5、0.3 和0.2 m 厚泡沫混凝土層替換為相同厚度的中粗砂并保證其他參數(shù)不變，開展了相應(yīng)的數(shù)值模擬，其中干燥中粗砂采用Soil and Foam 模型描述，具體參數(shù)見文獻(xiàn)[16]。

圖14 給出了上述3 種工況下主體結(jié)構(gòu)層上表面中心位置（圖2 中測點(diǎn)B-3-1）的應(yīng)力時(shí)程曲線，可以看到隨著中粗砂層厚度減小，荷載峰值明顯增大，主體結(jié)構(gòu)層上的荷載隨著中粗砂層厚度的變化而變化。對比圖4 可知，3 種不同厚度泡沫混凝土層主體結(jié)構(gòu)層上的荷載均與泡沫混凝土的屈服強(qiáng)度相當(dāng)，且當(dāng)厚度較小時(shí)，含泡沫混凝土層的組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)層上的荷載峰值明顯低于以中粗砂為分配層的傳統(tǒng)成層式結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)層上的荷載。另外，傳統(tǒng)成層式結(jié)構(gòu)采用的中粗砂通常就地取材，材料力學(xué)性能不易控制且差異大，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確確定傳統(tǒng)成層式結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)荷載。

5 主體結(jié)構(gòu)荷載可控的設(shè)計(jì)理念

在上述抗爆機(jī)制分析、泡沫混凝土厚度和強(qiáng)度影響規(guī)律及與傳統(tǒng)成層式結(jié)構(gòu)對比分析的基礎(chǔ)上，可總結(jié)歸納出含泡沫混凝土層的組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念及優(yōu)勢。

（1） 泡沫混凝土層的作用。傳統(tǒng)成層式結(jié)構(gòu)中，分配層主要起分散爆炸荷載，不使主體結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞的作用。而組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)中的泡沫混凝土層主要起波阻抗失配和消波作用，通過合理配置泡沫混凝土層的厚度和強(qiáng)度，可調(diào)控爆炸能量的分配，使得大部分爆炸能量消耗在遮彈層，大幅度減小作用于主體結(jié)構(gòu)上的能量和荷載。從該角度出發(fā)，宜定義泡沫混凝土層為能量調(diào)控層。

（2） 主體結(jié)構(gòu)荷載可控的理念。傳統(tǒng)成層式結(jié)構(gòu)中，分配層通常采用就地取材的中粗砂，材料力學(xué)性能不易控制且差異大，不易控制作用于主體結(jié)構(gòu)上的荷載。而組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)采用泡沫混凝土，通常按照J(rèn)G/T 266—2011《泡沫混凝土規(guī)范》[15] 施工，材料力學(xué)性能可得到可靠保證。這樣，利用泡沫混凝土材料較長的屈服平臺，通過設(shè)計(jì)泡沫混凝土強(qiáng)度等級（或密度等級，與強(qiáng)度呈一一對應(yīng)關(guān)系）和厚度，可使得作用于主體結(jié)構(gòu)上的爆炸荷載峰值恰為泡沫混凝土屈服強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對主體結(jié)構(gòu)上荷載的可控設(shè)計(jì)。

（3） 針對不同跨度主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。工程實(shí)際中，可首先根據(jù)主體結(jié)構(gòu)跨度選取能量調(diào)控層泡沫混凝土強(qiáng)度，如針對小跨度結(jié)構(gòu)，其抗力通常較高，可選取強(qiáng)度標(biāo)號相對較高的泡沫混凝土；而對于大跨度結(jié)構(gòu)，可選取強(qiáng)度標(biāo)號較低或梯度泡沫混凝土。然后可根據(jù)爆炸荷載和選定的泡沫混凝土強(qiáng)度對能量調(diào)控層厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，工程應(yīng)用非常方便。

（4） 分層梯度泡沫混凝土良好的消波吸能特性。利用堿激發(fā)泡沫混凝土施工方便且性能可控的特點(diǎn)，以分層梯度泡沫混凝土作為能量調(diào)控層，可充分發(fā)揮泡沫混凝土良好的消波耗能特性，可在實(shí)現(xiàn)對主體結(jié)構(gòu)上荷載的可控設(shè)計(jì)的同時(shí)，避免因遮彈層底部發(fā)生較為嚴(yán)重的震塌破壞給下部泡沫混凝土層和主體結(jié)構(gòu)層帶來的不利影響。

注意到組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念中的關(guān)鍵在于泡沫混凝土能量調(diào)控層，其強(qiáng)度和厚度的設(shè)計(jì)是能量調(diào)控和主體結(jié)構(gòu)荷載可控設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，該問題已在文獻(xiàn)[14] 中進(jìn)行細(xì)致討論分析并給出了厚度的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

6 結(jié) 論

為明確泡沫混凝土厚度和強(qiáng)度對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響，充分發(fā)揮和合理利用泡沫混凝土良好的消波特性，本文中首先通過試驗(yàn)及數(shù)值模擬探討泡沫混凝土厚度和強(qiáng)度對組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響，并分析了分層梯度泡沫混凝土在爆炸波作用下的消波特性。然后將組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)與采用中粗砂為分配層的傳統(tǒng)成層式結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證其優(yōu)越性，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)凝練出組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)荷載可控的設(shè)計(jì)理念，得到如下主要結(jié)論。

（1） 泡沫混凝土層應(yīng)用于組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，存在一個(gè)臨界厚度，當(dāng)泡沫混凝土層厚度大于該臨界厚度時(shí)，作用于主體結(jié)構(gòu)層的爆炸荷載峰值均不超過泡沫混凝土材料的屈服應(yīng)力。

（2） 在滿足作用于主體結(jié)構(gòu)上的荷載不超過泡沫混凝土的屈服應(yīng)力的前提下，利用高強(qiáng)度泡沫混凝土可降低泡沫混凝土層的厚度；選用低強(qiáng)度等級的泡沫混凝土不僅能降低作用在主體結(jié)構(gòu)上的爆炸荷載幅值，還可使其分布更為均勻。

（3） 分層梯度泡沫混凝土可充分發(fā)揮泡沫混凝土良好的消波吸能特性，在實(shí)現(xiàn)對主體結(jié)構(gòu)上荷載的可控設(shè)計(jì)的同時(shí)避免因遮彈層發(fā)生較為嚴(yán)重的震塌破壞給泡沫混凝土層和主體結(jié)構(gòu)層帶來的不利影響。

（4） 新型組合式防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的關(guān)鍵在于泡沫混凝土能量調(diào)控層，利用泡沫混凝土材料較長的屈服平臺和較低的波阻抗，通過設(shè)計(jì)泡沫混凝土強(qiáng)度等級（密度等級）和厚度，可使得作用于主體結(jié)構(gòu)上的爆炸荷載峰值恰為泡沫混凝土的屈服強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對主體結(jié)構(gòu)上荷載的可控設(shè)計(jì)，有效解決了中粗砂為分配層的傳統(tǒng)成層式結(jié)構(gòu)不易控制作用于主體結(jié)構(gòu)上荷載的問題。

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（責(zé)任編輯 王易難）

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金（52178515）